呂 洋,王黎明
(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 工程學(xué)院,黑龍江 大慶 163319)
藍(lán)莓(Blueberry)又名篤斯,屬杜鵑花科,越橘屬植物,果實(shí)呈扁圓形且皮薄,且含有豐富的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。我國(guó)的藍(lán)莓產(chǎn)量由2005年的181t增長(zhǎng)到2015年的43 184t[1]。目前,藍(lán)莓果實(shí)的采摘方式主要依靠人工采摘,效率低,影響藍(lán)莓的品質(zhì)及經(jīng)濟(jì)效益。藍(lán)莓果實(shí)在采摘、加工、運(yùn)輸和儲(chǔ)藏等過(guò)程中容易受到外力的作用,從而使果實(shí)產(chǎn)生機(jī)械損傷。果實(shí)的機(jī)械損傷一般是由壓縮載荷引起的。力學(xué)特性的相關(guān)研究被廣泛應(yīng)用在果蔬機(jī)械損傷試驗(yàn)中,包括葡萄[2-3]、荔枝[4-5]、楊梅果[6-7]、蘋果[8-9]、辣椒[10]、木薯[11]、銀杏[12]、番茄[13-14]和鮮棗[15]等。
壓縮強(qiáng)度通常是判斷蔬菜和水果的品質(zhì)的重要指標(biāo)之一,蔬菜、水果的內(nèi)部應(yīng)力測(cè)量也十分困難,因此在自然狀態(tài)下對(duì)藍(lán)莓壓縮載荷作用下的分析很有價(jià)值,其結(jié)果也可以為工程分析和計(jì)算提供有意義的依據(jù)[16]。目前對(duì)藍(lán)莓果實(shí)壓縮特性研究的文章較少,本文通過(guò)對(duì)藍(lán)莓整果進(jìn)行壓縮載荷下的力學(xué)特性試驗(yàn),探討采摘外力對(duì)藍(lán)莓宏觀組織的影響,并設(shè)計(jì)機(jī)械損傷下藍(lán)莓果實(shí)力學(xué)特性試驗(yàn)方案,得出機(jī)械損傷下藍(lán)莓果實(shí)的力學(xué)特性方程,探討機(jī)械采摘藍(lán)莓果實(shí)的損傷規(guī)律,為藍(lán)莓果實(shí)的采摘與收獲機(jī)械設(shè)計(jì)提供參考。
試驗(yàn)藍(lán)莓隨機(jī)選取顏色均勻、無(wú)病蟲害、表皮無(wú)損傷的50個(gè)藍(lán)莓樣品,由METTLER TOLEDO電子稱(精度0.001g)測(cè)得單果質(zhì)量為0.651~1.920g,直徑由電子游標(biāo)卡尺(精度0.02mm)每個(gè)方向測(cè)3次取平均值減小隨機(jī)誤差,橫向直徑10.65~15.45mm,縱向(蒂部到頂部)直徑5.63~11.56mm。在樣本中選擇差異較大的個(gè)體,使用WDW-200E型微機(jī)控制電子式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī),試驗(yàn)速度范圍為0.01~300mm/min,無(wú)級(jí)調(diào)速,精度±0.5%,分辨率1/200 000。在試驗(yàn)過(guò)程中可由微機(jī)自動(dòng)控制加載、卸載和力與位移數(shù)據(jù)的收集。裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。
1.加載裝置 2.上壓板 3.藍(lán)莓試樣 4.下壓板 5.打印機(jī) 6.計(jì)算機(jī)
分別對(duì)單粒藍(lán)莓的縱向與橫向進(jìn)行壓縮試驗(yàn)(見圖2),得到試驗(yàn)力-時(shí)間曲線(見圖3)。由圖2、圖3可知:無(wú)論橫向還是縱向壓縮,力與位移曲線均為非線性,且沒有明顯的屈服點(diǎn)出現(xiàn),達(dá)到破裂力后,藍(lán)莓表皮發(fā)生破裂。
1.上壓板 2.藍(lán)莓試樣 3.下壓板
圖3 試驗(yàn)力與時(shí)間變化關(guān)系圖Fig.3 Test force and time change diagram
彈性模量可以衡量物料產(chǎn)生彈性變形的難易程度,一般其值越大,表示物料發(fā)生彈性變形所需的應(yīng)力越大。
在藍(lán)莓壓縮試驗(yàn)的彈性階段過(guò)程中,在靜載荷和變形的初期階段變形較小的條件下,應(yīng)用赫芝理論建立能夠識(shí)別物料彈性模量的壓縮方程。由單面平板壓縮方程可得
式中F—壓力;
μ—物料的泊松比,通常果蔬的泊松比在0.2~0.5之間;
D—壓縮變形量;
R—被測(cè)物料與平板接觸處的最大曲率半徑;
R1′—被測(cè)物料與平板接觸處的最小曲率半徑;
K—取決于物體的兩個(gè)主曲率的常系數(shù),其值已由赫茲理論算出(見表1)。
表1 K值Table 1 K value
表1中,θ值可以由公式算出;R、R′是分別為被測(cè)物料與平板接觸的最大曲率半徑與最小曲率半徑。
取藍(lán)莓的泊松比為0.3,根據(jù)藍(lán)莓壓縮試驗(yàn)采集數(shù)據(jù)應(yīng)用單面平板壓縮方程計(jì)算得出線性范圍內(nèi)的藍(lán)莓彈性模量:橫向壓縮模量為0.21MPa,縱向壓縮模量為0.18MPa。由于其彈性模量較小,可知較小的應(yīng)力就可以使藍(lán)莓產(chǎn)生形變。
在三水平正交表中,選用試驗(yàn)量最小無(wú)交互作用的L9(34)正交表安排,因素水平如表2所示。選用直徑、距平臺(tái)高度及加載速度為3個(gè)因素,根據(jù)吳德光的壓縮試驗(yàn)方法[17],采用剛性單面平板壓縮方式,下壓板不動(dòng),上壓板分別以固定速率1、5、10mm/min垂直下壓。試驗(yàn)用的藍(lán)莓直徑由電子天平測(cè)得,并取平均值。用藍(lán)莓的破裂力作為試驗(yàn)指標(biāo),藍(lán)莓的破裂力是壓縮特性試驗(yàn)的一個(gè)重要參數(shù),對(duì)應(yīng)宏觀結(jié)構(gòu)的破壞。試驗(yàn)時(shí),分別對(duì)單粒藍(lán)莓果實(shí)進(jìn)行壓縮實(shí)驗(yàn),極差分析如表3所示。
表2 因素水平Table 2 The level of factor
表3 極差分析表Table 3 The poor analysis table
由表3可知:K1、K2、K3分別為各因素在各水平下藍(lán)莓破裂所需要的應(yīng)力,k1、k2、k3表示各因素在各水平下藍(lán)莓果實(shí)破裂力的平均值,藍(lán)莓的直徑對(duì)藍(lán)莓果實(shí)破裂力的影響大于藍(lán)莓的加載速度與藍(lán)莓距平臺(tái)高度。
藍(lán)莓的直徑越大,越不容易受到損傷,原因主要是:藍(lán)莓果實(shí)越飽滿,其內(nèi)部的纖維組織結(jié)合越緊密。加載速度越快,越容易受到損傷,原因主要是:加載速度越快,藍(lán)莓越容易受到?jīng)_擊力的作用,導(dǎo)致藍(lán)莓果實(shí)表皮受損而破裂。藍(lán)莓距離平臺(tái)高度基本上沒有影響,原因主要是:藍(lán)莓是否受到機(jī)械損傷與內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān),與放置方向無(wú)太大關(guān)系。
本試驗(yàn)主要運(yùn)用SPSS20.0軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析,結(jié)果如表4所示。
表4 方差分析Table 4 The analysis of variance
由表4可知:直徑與破壞力對(duì)應(yīng)的Sig值、加載速度與破裂力對(duì)應(yīng)的Sig值及高度與破裂力對(duì)應(yīng)的Sig值,是方差分析時(shí)顯著性指標(biāo)的參考數(shù)值;Sig值越小,說(shuō)明試驗(yàn)因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響越顯著。直徑與破裂力的Sig值在0.1左右,可以認(rèn)為其對(duì)破裂力存在影響,高度對(duì)破裂力的影響較小。在直徑、加載速度、高度3個(gè)因素中,藍(lán)莓的直徑對(duì)破裂力的影響最大,其分析結(jié)果與極差分析結(jié)果一致。
運(yùn)用SPSS軟件中的兩兩比較,能夠比較同一因素下不同水平之間是否存在明顯的差異,如表5所示。由表5可以得出不同水平之間藍(lán)莓直徑、加載速度與距平臺(tái)高度存在差異。其中,藍(lán)莓直徑對(duì)藍(lán)莓破裂力的影響最大。
表5 兩兩比較Table 5 The comparison of two
運(yùn)用SPSS20.0軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸分析,選擇逐步回歸,如表6所示。由表6可知:在直徑、加載速度與高度變量都存在的情況下,高度的Sig值為0.875>0.1,表明其對(duì)因變量破裂力的影響較小,R2值為0.777。剔除高度對(duì)藍(lán)莓破裂力的影響重新擬合,其Sig值均小于0.1,影響顯著,R2值為0.776。兩次R2值相差較小,所以在3個(gè)變量都剔除距平臺(tái)高度對(duì)藍(lán)莓破裂力的影響,可以得到破裂力與藍(lán)莓直徑、加載速度的關(guān)系式為
Y=-0.332+1.154X1-0.323X2
式中X1—藍(lán)莓的直徑;
X2—加載速度。
表6 相關(guān)系數(shù)Table 6 The correlation coefficient
模型系數(shù)a非標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)B標(biāo)準(zhǔn) 誤差標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)試用版tSig.1(常量)0.3324.010-0.0830.937直徑1.1540.3070.7273.7590.009加載速度-0.3230.126-0.497-2.5720.042a. 因變量: 破裂力
1)藍(lán)莓果實(shí)在壓縮載荷的作用下,無(wú)論是橫向還是縱向力,與時(shí)間的關(guān)系曲線均為非線性,壓縮過(guò)程中無(wú)明顯的生物體屈服點(diǎn)出現(xiàn),壓縮力上升至破裂力后,藍(lán)莓發(fā)生破裂。通過(guò)計(jì)算得出了藍(lán)莓的壓縮彈性模量,其縱向與橫向分別為0.18MPa和0.21MPa,即較小的力就可以使藍(lán)莓產(chǎn)生變形。
2)以藍(lán)莓破裂力為試驗(yàn)指標(biāo),根據(jù)極差分析與方差分析得知:藍(lán)莓的直徑大小對(duì)藍(lán)莓破裂力的有一定的影響。藍(lán)莓果實(shí)的直徑越大,越不容易受到損傷;加載速度越快,藍(lán)莓果實(shí)越容易受到損傷;藍(lán)莓距平臺(tái)的高度對(duì)藍(lán)莓果實(shí)損傷沒有影響。同時(shí),得出了破裂力與藍(lán)莓直徑和加載速度的關(guān)系式。
3)選取的因素較少,僅能得到部分影響藍(lán)莓破裂的因素。由于藍(lán)莓品種間存在差異性,即不同品種藍(lán)莓的內(nèi)部纖維組織結(jié)合程度也不相同,因此對(duì)所得結(jié)果也有影響。